Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

Сухие силовые трансформаторы: жесткая альтернатива или гармоничное дополнение?
 

Сухие силовые трансформаторы: жесткая альтернатива или гармоничное дополнение?

Савинцев Ю.М.

 

 

 

 


Еще лет двадцать назад, когда речь за­ходила о силовых трансформаторах, то, как правило, имелись в виду силовые масляные трансформаторы. А ведь исторически первыми были «сухие».

В Интернете, в печатных СМИ периодически появляются публикации, в которых противопоставляются масляные и сухие силовые трансформаторы. «ИЛИ-ИЛИ» - так можно кратко резюмировать суть этих статей. А ведь та или иная конструкция, тот или иной техни­ческий объект появляется на свет как ответ технического интеллекта на вызов потреб­ностей общества. И масляные, и сухие транс­форматоры появились в результате развития электротехники как составного компонента научно-технического прогресса.

Немного истории. Как известно, первая электропередача на переменном токе была осуществлена в 1883 г. для освещения Лон­донского метрополитена [1, 2]. Длина линии при этом составляла ~ 23 км. Напряжение повышалось до 1,5 кВ с помощью транс­форматоров, которые были созданы в 1882 г. Л. Голяром и Д. Гиббсом во Франции. На де­ревянной подставке укреплялось несколько индукционных катушек, магнитопровод был разомкнутым, первичные обмотки соединялись последовательно. Вторичная обмотка была секционирована, и каждая секция имела по два вывода для подключения приемников. Для регулирования напряжения на вторичных обмотках использовались выдвижные сердеч­ники. Современные трансформаторы имеют замкнутый магнитопровод, и их первичные об­мотки включены параллельно. Первый патент на такие трансформаторы получил венгерский электротехник М. Дери феврале 1885 г.). Наиболее совершенные однофазные транс­форматоры (без больших электромагнитных потерь, с замкнутым магнитопроводом) были сконструированы венгерскими инженерами М. Дери (1854-1934), О. Блати (1860-1939) и К. Циперновским (1853-1942). Именно эти специалисты впервые применили термин «трансформатор». Они предложили также три модификации трансформаторов, которые при­меняются до настоящего времени: кольцевой, броневой и стержневой. Такие трансформаторы серийно выпускались электромашиностро­ительным заводом «Ганц и К0» в Будапеште.

Все упомянутые выше трансформаторы были «сухого» типа, т. е. охлаждение обмоток при работе трансформатора происходило за счет естественной воздушной конвекции - «сухим» способом.

Масляный трансформатор предложил швед Д. Свинберн в 1889 г., поместив обмотки в керамический сосуд с маслом. В 1891 г. на за­воде «Эрликон» (в Швейцарии) был изготовлен первый масляный трансформатор на высокое по тому времени напряжение 30 кВ.

Необходимо отметить, что все описанные выше изобретения представляли собой одно­фазные электрические машины.

В 1889 г. выдающийся русский ученый и изобретатель М.О. Доливо-Добровольский в результате исследований пришел к связным трехфазным системам и изобрел трехфазный трансформатор. Аналогичные работы велись и в Европе, где в 1893 г. в Швеции была запущена одна из первых коммерческих трехфазных линий электропередачи.

Первая половина XX в. - это мировой эко­номический кризис и Вторая мировая война. Поэтому начавшееся в конце XIX - начале XX в. бурное развитие и совершенствование электрооборудования, распределительных электрических сетей продолжилось уже в послевоенные годы.

При этом в СССР началом производства силовых трансформаторов можно считать 1928 г., когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии - Московский электрозавод). В этот период про­изводились и эксплуатировались в основном силовые масляные трансформаторы, поскольку их конструкция обеспечивала более мощный отвод тепла и поэтому не ограничивала мощ­ность трансформаторов.

Хотя маломощные однофазные сухие трансформаторы применялись в устройствах радиотехники, автоматики, сигнализации, связи и т. п. еще в первой половине прошлого века, технология производства силовых сухих трехфазных трансформаторов, предназна­ченных для преобразования электроэнергии в электросетях и электроустановках, была разработана намного позднее - в последней трети прошлого века.

Подробное описание конструкции различ­ных типов сухих силовых трансформаторов, а также их преимущества и недостатки описаны подробно в статьях [4-7].

Можно выделить два основных типа сухих силовых трансформаторов (помимо того, что обмотки изготавливаются либо из меди, либо из алюминия): с литой изоляцией и воздушно- барьерной изоляцией (открытые обмотки).

На современном этапе развития сухих трансформаторов используется заливка из­готовленных обмоток эпоксидными компаун­дами. Подобные трансформаторы выпускаются как за рубежом, так и в России и странах СНГ (МЭТЗ им. В. И. Козлова, РБ; ЗАО «Трансформер», г. Подольск, Московская обл.; ГК «СВЭЛ», г. Екатеринбург, и другие). Существует две технологии изготовления сухих силовых транс­форматоров с литой изоляцией: 1) вакуумная технология; 2) ровинговая технология.

При производстве сухих трансформаторов по вакуумной технологии готовые обмотки трансформатора заливают в вакууме эпоксид­ным компаундом с кварцевым наполнителем (т. н. геафоль), процесс подготовки которого также происходит в вакууме. До конца 1950 г. прошлого века повсеместно применялась технология заливки высоковольтных обмоток сухих трансформаторов эпоксидной смолой в воздухе. В соответствии с этой технологией обмотки высокого напряжения пропитывались изоляционным диэлектриком, а затем осущест­влялась их сушка. Высоковольтные обмотки трансформатора, залитые по такой технологии, имели низкое качество, поскольку в составе катушек имелись различные примеси и микро­поры, заполненные воздухом, что во многих случаях приводило к повышенным значениям частичных разрядов, быстрому старению изоляции, снижению срока службы трансфор­матора, а в некоторых случаях могло вызвать даже аварийный пробой изоляции. Простота технологии изготовления пропитанных в воздухе обмоток приводила также и к другим, крайне нежелательным, последствиям: обмотки подвергались увлажнению и абсорбции влаги, что опять-таки вызывало поверхностные разряды и ускоренное старение изоляции; трансформаторы с такими обмотками не обла­дали необходимой механической прочностью, стойкостью к токам короткого замыкания и были достаточно громоздкими.

Вакуумная технология заливки обмоток трансформаторов, пришедшая на смену заливке обмоток в воздухе, позволила полностью исклю­чить из состава изоляции различные примеси и газовые микропоры, значительно улучшила диэлектрическую прочность изоляции по отно­шению к частичным разрядам. Обработанные по этой технологии обмотки получались закрытыми со всех сторон эпоксидной оболочкой толщиной от 5 до 20 мм, что придавало им необходимую жесткость, защищало от влаги и воздействия агрессивной среды. Конструкция и технология производства сухих трансформаторов на самом высоком техническом уровне были разработа­ны известной фирмой TRAFO-UNION, которая продала свою лицензию многим фирмам. Таким образом, вакуумная технология заливки обмоток распространилась на многие транс­форматорные заводы и к середине 1970 г. стала господствующей при производстве эпоксидных трансформаторов.

Трансформаторы, изготовленные по описан­ной выше вакуумной технологии, считались безотказными в любых условиях эксплуатации, даже в самых экстремальных. Но по мере увеличения количества трансформаторов в эксплуатации стали выявляться следующие недостатки: образование трещин в эпоксидном корпусе обмотки при перегрузке порядка 60-80% номинальной мощности трансфор­матора, первоначально находившегося в холодном состоянии, или при охлаждении обмоток отключенного трансформатора до температуры ниже -15... - 20°С; образование трещин было вызвано тем, что при резких перепадах температур быстро нагревающийся материал обмотки (медь) разрывал эпоксидно-кварцевый корпус обмотки; недостаточная стойкость к динамическим усилиям короткого замыкания; обмотки высокого и низкого напря­жения составляют два независимых цилиндра обмоток, механическая прочность крепления которых в некоторых случаях оказывается недостаточной.

В результате исследований фирмой ABB была разработана новая технология произ­водства трансформаторов с литой изоляцией: путем герметизации слоевых обмоток с ис­пользованием чистой смолы и стеклонитей. Идея блочной обмотки заключается в том, что обмотки низкого и высокого напряжения, связанные друг с другом посредством реек из стеклопластика, образуют единый твердый блок. Используя заполнение стекловолокном приблизительно на 80% и оптимальным об­разом сочетая поперечные и крестообразные направления стекловолокон в процессе намотки, удается получить блок обмоток с высокой механической прочностью, что ис­ключает любое перемещение обмоток под действием поперечных или продольных сил. Это приводит к высокой устойчивости при коротких замыканиях и стабильности техниче­ских характеристик при воздействиях низких и высоких температур.

По данным ABB, за 20 лет эксплуатации в этих транс­форматорах ни разу не было обнаружено растрескивания. В 1990 г. в компании «Электрофизика», г. С.-Петербург, был освоен выпуск сухих трансформаторов с открытой обмоткой (с воздушно-барьерной изоляцией), где основной изоляцией является изоляция проводов обмотки. В таких трансформаторах с открытыми обмотками, пропитанными смолой компании «Дюпон» методом вакуум-давления с последующей ее полимеризацией при высокой температуре, достигается прочное изоляционное покрытие катушек толщиной до 0,2 мм, которое гарантирует надежный уровень изоляции и защиту от воздействия окружаю­щей среды и одновременно не препятствует эффективному охлаждению. Применение в производстве катушек изоляции типа NOMEX класса нагревостойкости 220° С определяет высокую стойкость трансформаторов к по­стоянным нагрузкам. К преимуществам такой конструкции относятся: отсутствие проблем ув­лажнения, отсутствие деградации изоляции во времени с сохранением электродинамической стойкости, пожаробезопасность, отсутствие эксплуатационных затрат и др.

Общей проблемой сухих трансформаторов является ограничение их максимальной мощ­ности, обусловленное условиями охлаждения. До недавнего времени считалось, что предель­ная мощность для сухих трансформаторов составляет 15 МВ·А. По данным концерна ABB, в настоящее время уже выпускаются сухие трансформаторы типа Resibloc мощностью до 40 МВ·А, и в дальнейшем компания собирается довести это значение до 60 МВ·А.

Перспективы развития конструкции сухих силовых трансформаторов рассмотрены в статье [8]. Применительно к сухим трансфор­маторам наибольший интерес представляет следующая новация: новый тип трансформа­тора - Dryformer, разработанный компанией ABB. Это так называемый кабельный трансформатор. Обмотки трансформатора, который является по сути именно сухим, выполняются из кабеля. Внутри обмотки пучок многожильного провода (медный или алюминиевый) заключен в тонкий слой полупроводящего материала (для исключения неравномерности поля из-за многослойности). Все это заключается в полиэтилен, толщина которого выбирается из соображений электрической прочности (практически достижим уровень напряжения 220 кВ). Наружная оболочка-экран, выполнен­ная также из полупроводящего материала, заземляется на каждом витке вдоль обмотки, т. е. электрическое поле полностью заключено внутри твердого диэлектрика. Так как транс­форматор имеет воздушное охлаждение, то отсутствие масла, а также снижение более чем вдвое доли горючих материалов по сравнению с обычным трансформатором, устраняют риск пожара, взрыва, загрязнения воды и почвы при повреждении трансформатора. Это дает возможность применять такие трансформаторы в местах с большой плотностью населения, в подземных установках, в экологически охраняемых регионах. Повышается также безопасность эксплуатации для персонала. Для такого трансформатора не нужны вводы высокого напряжения, поскольку кабель просто протягивается к распределительному устройству. Принципиально Dryformer снижает общие потери в сети благодаря тому, что его можно установить как угодно близко к месту нагрузки. Перегрузочная способность обычного трансформатора ограничена термостойкостью маслобумажной изоляции и сроком службы масла. Для Dryformer перегрузка ограничена не старением изоляции, а снижением механи­ческой прочности обмотки, изолированной полиэтиленом при повышении температуры. Другим недостатком такого трансформатора является высокая цена (примерно вдвое выше, чем у традиционной конструкции). Первый в мире силовой трансформатор без масла, с обмоткой кабельного типа, разработанный для установки в помещении, имеет мощность 20 МВ·А.

 

Библиографический список

1.    Веселовский О.Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники. - М.: МЭИ, 1993.

2.    Кулик Ю.А. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 1965.

3.    Фогельсберг Т., Карлссон А. Трансфор­маторы в истории человечества. О силовых трансформаторах компании ABB // ABB Ревю. - 2007. - № 3.

4.    Васильев С. Будущее за сухими транс­форматорами // Новости электротехники. - 2002. - 3. - С. 40-41.

5.    Постников С. Трансформаторная триальность // Новости электротехники. - 2002. - 3. - С. 42-43.

6.    Федотов М. Сухие силовые трансфор­маторы для работы в тяжелых климатических условиях // Новости электротехники. - 2002. - 3. - С. 44.

7.    Кравченко А. Н. Сухие силовые транс­форматоры // Электрик. - 2006. - № 7-8. - С. 6.

8.    Белкин Г. С., Дробышевский А. А., Ивакин В.Н. и др. Перспективные виды электротехнического оборудования // Электро­техника. - 2006. - № 9. - С. 2-9.

9.    Зубарьков А.А. Инструкция для по­купателя // Энергонадзор. - 2012. - № 1-2. - С.50-51.

10.Савинцев Ю.М. Плановое развитие рынка силовых трансформаторов: утопия или необходимость // Электротехнический рынок. - 2011. - № 1-2.-С. 39-41.

 

 

 
 
Полное содержание статьи Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Савинцев Ю.М. Сухие силовые трансформаторы: жесткая альтернатива или гармоничное дополнение? Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, №  8,  2012.– С.10-18.
Материал размещен на www.transform.ru: 18.09.2012 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????